Научно−исследовательский физико−технический институт Нижегородского государственного университета имени Н. И. Лобачевского:

С. Н. Нагорных

В. И. Павленков

А. Н. Михайлов

А. И. Белов
В. А. Бурдов

Д. И. Тетельбаум

Институт физики микроструктур РАН:

Л. В. Красильникова

Д. И. Крыжков

Представлена модель излучательных и безызлучательных переходов в квантовых точках кремния, которая описывает температурную зависимость фотолюминесценции ионно−синтезированных массивов нанокристаллов Si в SiO₂. Рассмотрена четырехуровневая схема переходов, учитывающая термоактивированные процессы и обменное расщепление основного энергетического состояния экситона в нанокристалле кремния на триплетный и синглетный уровни, переходы с которых в основное состояние ответственны за люминесценцию. На основе стационарного решения системы кинетических уравнений, описывающих заселенность уровней, получено выражение для температурной зависимости монохроматических составляющих фотолюминесценции, которое удовлетворительно описывает экспериментальные результаты. Найдены и сравнены с литературными данными величины расщепления энергетического состояния экситона в зависимости от энергии излучаемых фотонов.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России») и РФФИ (10−02−00995, 12−02−00980).

1. Silicon nanocrystals: fundamentals, synthesis and applications / Ed. by L. Pavesi, R. Turan. − Weinheim: WILEY−VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2010. − 613 p.
2. Canham, L. T. Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers / L. T. Canham // Appl. Phys. Lett. − 1990. − V. 57, N 10. − P.1046—1048.
3. Heitmann, J. Excitons in Si nanocrystals: confinement and migration effects / J. Heitmann, F. Muller, L. Yi, M. Zacharias, D. Kovalev, F. Eichhorn // Phys. Rev. B. − 2004. − V. 69. − P. 195309.
4. Kobitski, A. Yu. Self−trapped exciton recombination in silicon nanocrystals / A. Yu. Kobitski, K. S. Zhuravlev, H. P. Wagner, D. R. T. Zahn // Ibid. − 2001. − V. 63. − P. 115423.
5. Allan, G. Nature of luminescent surface states of semiconductor nanocrystallites / G. Allan, C. Delerue, M. Lannoo // Phys. Rev. Lett. − 1996. − V. 76, N 16. − P. 2961—2964.
6. Calcott, P. D. J. Identification of radiative transitions in highly porous silicon / P. D. J. Calcott, K. J. Nash, L. T. Canham, M. J. Kane, D. Brumhead // J. Phys: Condens. Matter. − 1993. − V. 5. − P. L91—L98.
7. Бурдов, В. А. Зависимость ширины оптической щели кремниевых квантовых точек от их размера / В. А. Бурдов // ФТП. − 2002. − Т. 36, № 10. − С. 1233—1236.
8. Delerue, C. Theoretical aspects of the luminescence of porous silicon / C. Delerue, G. Allan, M. Lannoo // Phys. Rev. B. − 1993. − V. 48, N 15. − P. 11024—11036.
9. Wang, J. Thermal activation energy of crystal and amorphous nano−silicon in SiO₂ matrix / J. Wang, M. Righini, A. Gnoli, S. Foss, T. Finstad, U. Serincan, R. Turan // Solid State Communications. − 2008. − V. 147. − P. 461—464.
10. Kapoor, M. Origin of the anomalous temperature dependence of luminescence in semiconductor nanocrystallites / M. Kapoor, V. A. Singh, G. K. Johri // Phys. Rev. B. − 2005. − V. 72. − P. 195313
11. Tetelbaum, D. I. Influence of the nature of oxide matrix on the photoluminescence spectrum of ion−synthesized silicon nanostructures / D. I. Tetelbaum, O. N. Gorshkov, A. V. Ershov, A. P. Kasatkin, V. A. Kamin, A. N. Mikhaylov, A. I. Belov, D. M. Gaponova, L. Pavesi, L. Ferraioli, T. G. Finstad, S. Foss // Thin Solid Films. − 2006. − V. 515, N.1−2. − С. 333—337.
12. Wang, Y. Q. The effect of implantation dose on the microstructure of silicon nanocrystals in SiO₂ / Y. Q. Wang, R. Smirani, G. G. Ross // Nanotechnology. − 2004. − V. 15. − P. 1554—1560.
13. Mott, N. F. Silicon dioxide and the chalcogenide semiconductors; similarities and differences / N. F. Mott // Adv. Phys. − 1977. − V. 26, N 4. − С. 363—391.
14. Fernandez, B. G. Influence of average size and interface passivation on the spectral emission of Si nanocrystals embedded in SiO₂ / B. G. Fernandez, M. Lopez, C. Garcia, A. Perez−Rodriguez, J. R. Morante, C. Bonafos, M. Carrada, A. Claverie // J. Appl. Phys. − 2002. − V. 91, N 2. − P. 798—807.
15. Тетельбаум, Д. И. О влиянии процесса коалесценции и характера исходного оксида на фотолюминесценцию ионно−синтезированных нанокристаллов Si в SiO₂ / Д. И. Тетельбаум, О. Н. Горшков, А. П. Касаткин, А. Н. Михайлов, А. И. Белов, Д. М. Гапонова, С. В. Морозов // ФТТ. − 2005. − Т. 47, № 1. − С. 17—21.